Riprogettazione della ventola di raffreddamento motore del DAILY IVECO

Le sempre più stringenti normative sul controllo delle emissioni, richiedono ai costruttori la revisione di diverse componenti dei propri veicoli. Nel contempo aumentano le esigenze dei clienti che richiedono sempre maggiori economie di esercizio e comfort ed un comportamento generale del proprio veicolo pari a quello di un'automobile. Da sempre attenta a rispondere alle richieste dei propri clienti, oltre che all'evoluzione del mercato, con veicoli al top della produttività, nel pieno rispetto dei requisiti ambientali, Iveco ha deciso di avvalersi delle migliori competenze e delle più avanzate tecniche di progettazione, per sviluppare nuovi impianti di raffreddamento per i mezzi della gamma leggera. La ventola di raffreddamento del motore assume un ruolo chiave, essendo ad essa richiesto di fornire più portata e prevalenza, abbattendo la rumorosità, in condizioni di lavoro ad elevata sollecitazione strutturale.

Con questo scenario di problematiche multidisciplinari da risolvere, in ambito fluidodinamico, strutturale, acustico di processo, Iveco si è rivolta ad EnginSoft, che con il suo staff di ingegneri specializzati in diversi settori delle applicazioni CAE avanzate si è rivelata essere l’interlocutore ideale per affrontare sfide di questo tipo.

Gli strumenti
Tra i diversi applicativi CAE di cui EnginSoft dispone, è subito emerso che ANSYS-CFX, anche grazie ad alcuni moduli verticalizzati per l'analisi delle turbomacchine, si sarebbe prestato bene allo scopo.

In particolare il modulo CFX-Bladegen consente la progettazione delle pale della ventola partendo dalla definizione degli angoli di flusso della pala, gli spessori e in generale tutte le grandezze controllate dal progettista, verificando contemporaneamente la fattibilità dello stampo. La sua connessione con il modulo di fluidodinamica CFX ed il modulo strutturale ANSYS, permette per ogni ventola progettata di effettuare veloci verifiche sia dal punto di vista delle prestazioni fluidodinamiche che degli stress e spostamenti strutturali.
CFX ed ANSYS dispongono di una modalità FSI (acronimo per Fluid Structure Interaction), che permette di scambiare carichi fluidodinamici e deformazioni strutturali tra i due moduli in modalità bidirezionale.

Tale opzione è fondamentale nell'analisi strutturale di una ventola in quanto oltre ai carichi centrifughi vengono applicati in ANSYS anche i carichi derivanti dalle pressioni fluidodinamiche calcolate da CFX mediante l'interfaccia FSI.

La ventola
Per l'impostazione della nuova ventola, si è partiti dal componente originale che presentava due versioni a 9 ed a 12 pale. Così Iveco ha deciso di investire in nuove tecnologie, trasformando la sfida, rappresentata dalle normative e dalle richieste di mercato, in una opportunità per ottenere un prodotto di eccellenza.

In particolare, si è deciso di esplorare le possibilità di aumentare l'efficienza, e allo stesso tempo abbassare la potenza assorbita. Il Team di lavoro, costituito da Iveco, EnginSoft, Denso Thermal Systems (responsabile della fornitura del nuovo di raffreddamento) e Seeber (responsabile della prototipazione e dell'industrializzazione della nuova ventola), ha dovuto tener conto di una serie di vincoli di carattere geometrico come:

• l'estensione assiale,
  
• il diametro massimo,

di carattere fluidodinamico, come:

• la portata,
  
• la prevalenza,
  
• l'energia cinetica turbolenta,

di carattere strutturale, come:

• gli spostamenti massimi ammessi sotto carico,
  
• le sollecitazioni massime ammesse sotto carico,

e di carattere tecnologico e di processo, per impostare la progettazione di una ventola completamente nuova.
In sintesi i requisisti da soddisfare erano:

• Diametro massimo
  
• Massima estensione assiale
  
• Minimo momento d'inerzia
  
• Portata di raffreddamento
  
• Prevalenza tra mascherina, radiatore ed uscita ventola
  
• Massimo sforzo della ventola alla prova centrifuga per la vita a fatica
  
• Deformazioni termiche per valutare gli sforzi termici e le eventuali interferenze
  
• Massimo sforzo allo spunto per verificare eventuali rotture dovute all'accelerazione iniziale

Si è partiti da una ipotesi di ventola ad 11 pale, che Bladegen e CFX hanno evidenziato dare subito dei buoni margini dal punto di vista fluidodinamico, ma che con il suo eccessivo peso non permetteva l'inserimento di un anello esterno sulle pale.
Pertanto il progetto si è evoluto verso una serie di ventole con un numero di pale ridotte e con un carico di pressione sulla pala superiore per mantenere le prestazioni, portando dopo diverse iterazioni a due soluzioni finali che sono state infine prototipate da Iveco insieme a Seeber:

• Ventola a 9 pale senza anello
  
• Ventola a 7 pale con anello

Le prestazioni finali delle due ventole si sono rivelate ottimali sotto diversi aspetti: quello fluidodinamico, quello strutturale e quello acustico; in particolare:

• La rumorosità si è ridotta di 4 dB, incrementando il comfort acustico cabina
  
• La potenza richiesta si è abbassata del 25%, con effetto benefico sulla riduzione consumi
  
• La portata è stata aumentata del 10%, a tutto vantaggio dello scambio termico e del controllo delle emissioni inquinanti

Tutti i vincoli sugli sforzi e le deformazioni di carattere strutturale sono stati soddisfatti. In sostanza, l'efficienza della ventola è stata notevolmente migliorata con un accurato progetto fluidodinamico e conseguentemente anche i requisiti strutturali ed acustici sono stati rispettati con estrema facilità. Il tutto ha permesso di ridurre il numero di prototipi fisici, e arrivare in ogni caso allo stadio prototipale, oltre che in tempi brevi, con la ragionevole certezza di non dover reintervenire sul progetto.

Si ringraziano per il supporto e l’analisi critica dei risultati gli ingg. Repetto, Scavarda e Stecco di IVECO.

Per ulteriori informazioni:
Ing. Lorenzo Bucchieri
CFD Manager
info@enginsoft.it